基于量子点和聚合物的微纳器件的光电性能研究

Nanowires and quantum dots are two cutting-edge research hot spots in the field of nanotechnology, ranking 2nd and 3rd among top five hot spots in current physics highlighted by NATURE journal, respectively. Interestingly, the combination of these two hot spots produces synergistic effect, which can enrich the research space and application scope of micro-nano scale materials and devices, especially for the optoelectronic properties of micro-nano devices. In our previous work, we combined the quantum dots and polymer nanowires then systematically studied their photoluminescence process for light sources and optical waveguides; and found that the quantum-dot-polymer interfaces are benefit to the separation of photo-generated carriers. Experimentally, this interface can efficiently absorb ultraviolet and visible light, generating obvious photocurrents. However, the electroluminescence process and photovoltaic effect in the formed interfaces are poorly investigated. In this project, we will dope the luminous quantum dots into the flexible conductive polymers, and then fabricate the quantum-dot-doped flexible nanowires, characterize their optical, electrical and optoelectronic properties; analyze the mechanisms for electroluminescence and photovoltaic conversion, further explore the micro-nano device applications of light-emitting diodes and flexible solar cells.

纳米线和量子点是纳米技术领域中两大研究热点,《Nature》专门刊文将其分别列为当前物理学五大热点的第二和第三位。有趣的是,这两大研究热点相结合产生的协同效应,可以丰富微纳尺度材料与器件的研究空间和应用范围，该效应对微纳器件的光电性能尤为重要。在前期工作中，我们将量子点和聚合物纳米线相结合并对其光致发光过程进行了系统的研究，成功研制出纳米线光源和光波导；并发现量子点和聚合物界面处光生载流子分离的现象，实验表明该界面可以高效地吸收紫外和可见光并产生光电流。然而，相结合后界面上的电致发光和光伏效应尚未得到探究。本项目拟在前期工作的基础上，将能发光的量子点均匀地掺杂进入具有良好柔韧性的导电聚合物,通过掺杂结合的方式研制量子点掺杂的柔性纳米线,并利用光学和电学手段对其光电特性进行全面表征,深入分析电致发光和光伏效应中电-光/光-电转换的机理,进而探索并制备柔性发光二极管和光伏太阳能电池等微纳器件。

将光信号从外部光源传递到纳米级光波导对于纳米光子集成回路的发展非常重要，因为波导承担着信号源与探测器间光子互联的桥梁角色。然而，将外部光能量有效耦合进纳米光子波导元件中是十分困难的，仍然是一个巨大挑战。为此，针对项目原定内容和目标开展了系统研究，解决了量子点在聚合物中的均匀掺杂难题，制备出功能纳米线并全面表征光电特性，实验演示了纳米线波导器件在全光路由和全彩显示中的应用。具体的，我们使用外部二氧化硅纳米纤维（直径约200纳米）来点亮有机-无机混合纳米波导（直径约300纳米），即由掺杂有二硫化钼量子点（直径5纳米）的聚合物细丝组成的系统。实验发现55度角交叉几何形状中的纳米纤维激发的纳米波导沿两个相反方向不对称地耦合激发光信号，不同的能量耗散导致二硫化钼量子点发出不同颜色的光信号并从波导终端射出。有趣的是，混合型纳米波导中的彩虹状光发射可以通过红色（575纳米）、绿色（532纳米）和蓝色（473纳米）成分的光信号在纳米尺度空间（横向300纳米，纵向10微米）上进行三原色叠加得以实现。这种将零维量子点掺杂在一维纳米线波导中的复合体系代表了混合集成纳米光子器件在全光路由和全色显示等应用中的重要进步。